《毕业论文-- 横观各向同性PZT薄膜的弹性常数研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文-- 横观各向同性PZT薄膜的弹性常数研究（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、毕业论文 横观各向同性PZT薄膜的弹性常数研究院 、 部： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 摘 要在材料科学领域中我们通常使用纳米压痕测试技术来检测材料的力学性能，这是因为纳米压痕测试技术具备高精确性、操作方便快捷有效和对样品材料的尺寸要求小等优点。所以本文也选择纳米压痕测试技术来做PZT（Piezoelectric Ceramic Transducer ，压电陶瓷）薄膜材料的压痕实验，但是经过研究证明，实验结果反映的也是薄膜和基底体系的综合性能，而不是PZT薄膜材料的固有特性。因此本文需要考虑减轻或者避免基底效应的影响来表征PZT薄膜的本征力学性能，在本文中我们
2、通过求解PZT薄膜的弹性常数来作为材料的力学性能指标。本文的研究步骤和结果主要如下：先修正PZT薄膜和基底组合体系的纳米压痕技术加载曲线图，主要是将加载曲线拟合成指数函数的形式，通过这一步获得加载曲线的指数x和最大加载载荷Fmax。然后在正面分析中，我们对选择的研究对象PZT薄膜做有限元模拟和无量纲分析，得出了关于最大加载载荷Fmax、记载曲线指数x以及反映PZT薄膜材料弹性常数的杨氏模量三者关系的一个无量纲方程。然后在逆向分析中，先对PZT薄膜样品做纳米压痕测试，得出压痕加载曲线，再将与实验有关联的最大加载载荷、加载指数以及实验参数全部提取出来，把这些数据代入正面分析建立的无量纲方程中，求出
3、无压电效应和有压电效应两种情况下的PZT薄膜材料弹性常数，由此来作为表征PZT薄膜的力学性能指标。关键词：压痕测试；PZT薄膜；弹性常数；无量纲分析 ABSTRACTWe normally use in the field of materials science to Nano-indentation testing technique for testing the mechanical properties of the materials, this is because the Nano-indentation testing technology with high accurac
4、y, easy to operate efficiently and to sample size advantages of the material. So this paper also chose to Nano-indentation measurement technology for PZT (Piezoelectric Ceramic Transducer, pzt) thin film indentation, but research shows that the results reflect the performance of film and substrate s
5、ystem, rather than inherent characteristics of PZT thin films. Therefore need to consider reducing or avoiding basement characterized the effects of the intrinsic mechanical properties of PZT thin films.In this article we solved elastic constants of PZT thin film characterization of the mechanical p
6、roperties of the material. Steps and the results of this study are as follows: modified PZT thin film and substrate combination system of Nano indentation loading curves are mainly loading curve fitted to exponential form, obtained by this step load curve of exponential x and maximum loading loadFma
7、x. And then in the analysis of positive, our selection of PZT thin film by finite simulation of dimensionless analysis and obtained records on maximum load Fmax, curved index x reflects the elastic constants of PZT thin films youngs modulus of a dimensionless equation relationship between the three.
8、 Then in reverse analysis in the, first on PZT film samples do Nano pressure marks test, obtained pressure marks loaded curve, again will and experiment has associated of maximum loaded load, and loaded index and of experiment parameter all extraction out, put these data generation into positive ana
9、lysis established of infinite outline equation in the, seeking out no piezoelectric effect and has piezoelectric effect two species situation Xia of PZT film elastic constants, which to characterization PZT film of mechanical performance.Keywords: indentation tests；pzt film；elastie constant；dimensio
10、nless analysisII目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 PZT薄膜材料简介11.2 PZT薄膜材料的力学性能表征11.3 选题根据和主要工作22 纳米压痕测试技术32.1 纳米压痕技术的简介32.2 纳米压痕的有限元数值模拟技术概要63 横观各向同性薄膜压痕响应93.1 横观各向同性材料描述93.2 膜/基体系基底效应104 估算PZT薄膜的弹性常数124.1 正面分析124.2 建立具体无量纲方程164.3 逆向分析194.3.1 逆向分析流程图194.3.2 纳米压痕实验204.3.3 求解PZT弹性常数215 总结与展望245.1 总结245.2 展望24参考
11、文献26致 谢291 绪论1.1 PZT薄膜材料简介随着现代机械工业中电子器件和材料都趋于质量轻、小型化和性能优异以及制作工艺的革新和进步，使我们可以使用小尺寸的电子器件和材料。这说明，像PZT薄膜这类纳米材料将成为电子材料领域的发展主体。这类材料不但体积小、质量轻，更具有良好的性能（如电学、光学、热学、机械、吸附等），使得低维微纳米电子器件在不同行业不同领域都得到了极其广泛的应用，也因此人们开始普遍关注低维微纳米材料的研究成果。目前，各国和各行业都重视这方面的研究和应用。本论文研究的对象是PZT纳米薄膜材料1-2。这里的PZT指的就是锆钛酸铅（Pb（ZrxTi1-x）O3），PZT就分别是铅
12、元素Pb、锆元素Zr和钛元素Ti三者的英文缩写，它是混合二氧化铅、锆酸铅和钛酸铅等三种化学物质在高温下烧结而成的晶体，并且可以通过改变PZT中的Zr/Ti化学计量比的方式来改善其性能。近年来，因其具有优良的光电性能而受到广泛关注，利用其所制成的薄膜材料被普遍应用在微电子领域内。在PZT薄膜材料的实际制备过程是：选取一种材料A作为表面，在上面涂覆一层具有尺寸薄、结构致密和优良性能的材料B而形成的。在研究过程中，材料A被称为基底，材料B就是PZT薄膜，本文的基材就是Si，选择Si基材主要是与我们国家正在研发的微光器件中的Si微通道板工艺有关，同时能够探究Si基材上PZT薄膜的力学性能，也有利于对沉
13、积在Si基底上的PZT薄膜的器件展开研究，能够提升PZT薄膜材料的开发价值与商业价值。而通常PZT薄膜厚度尺寸范围一般在数十微米到数百纳米之间3-5。与单一固体材料相比，PZT薄膜的结构和制备的工艺过程都有很大程度的改善，所以PZT薄膜的性能也更加优异，也使得PZT薄膜材料在工业领域得到极其广泛的应用。另外薄膜按组成形式分为单晶的、多晶的以及非晶的，又或是单质及化合物如PZT、ZnO薄膜，也根据承担作用分为功能和结构元件薄膜。1.2 PZT薄膜材料的力学性能表征薄膜材料在实际应用中承担的作用主要是作为功能元件和结构元件来使用，但是不管是什么用途它所具有的力学性能对它的应用起关键性作用，因此我们
14、的任务就是采取措施反映薄膜材料力学性能。PZT薄膜在应用中是被固定在某一种基底上，因此这两种材料所组成的复合体系的力学性能不同于单一的某种固体材料。也因此如果想准确的表征PZT纳米薄膜的力学性能是会面临很多困难，其主要原因有如下几点6：（1）PZT薄膜是通过在基底材料表面覆盖一层很薄的PZT材料，制备过程和制备工艺复杂。如果实验时我们分离薄膜材料和基底材料只选择单一的PZT材料作为实验材料，那么在分离样品和做性能测试时薄膜材料很容易破坏，测量的力学性能参数就没有意义了。（2）但是将两者组成的复合材料作为实验材料，测试的就不是薄膜的的固有特性，而是整体性能。（3）另外一些应用广泛的固体材料的性能
15、测试手段如拉伸，弯曲，冲击等不适用在纳米薄膜材料。因此，发展能够准确有效测试PZT纳米薄膜材料的力学性能的新技术刻不容缓。目前随着各方面的研究发展，表征薄膜材料的方法在蓬勃发展并取得一些成果。比如声波法、散射法等，使用这类方法不会直接接触到薄膜样品材料，所以样品在正常试验条件下不会损坏。单轴拉伸法7-9和微纳米压痕法10是我们经常使用的与薄膜样品接触的两种技术。但是对于厚度方向尺寸范围在数十微米到数百纳米之间的材料，像薄膜，如果做单轴拉伸试验其结果只能是破坏薄膜样品，因此这种技术手段不适用。那么此时我们开始研究纳米压痕测试技术，纳米压痕测试技术是压头持续加载到最大压痕深度，保持规定时间后卸载，实时记录加载和卸载过程中加载载荷和压痕深度的关系曲线，再对曲线评价、分析、计算从而表征材料的力学性能。通过实践证明这种技术是一种方便、快速、有效的并且早已普遍应用的测试薄膜力学性能方法10-11。1.3 选题根据和主要工作目前，随着制备的微纳米材料和器件质量越来越高以及尺寸越来越小型化，微纳米材料和器件的
